一種微帶相控陣天線設(shè)計(jì)

孫 姣 蔣延生 張安學(xué)

(1.駐西安地區(qū)第六軍事代表室 西安 710043；2.西安交通大學(xué) 西安 710049)

0 引言

雷達(dá)不被敵方各種截獲接收機(jī)截獲，就可以避免被偵察、被干擾和被反輻射導(dǎo)彈攻擊，這就促使了低截獲概率(LPI)雷達(dá)的產(chǎn)生[1]。低截獲概率的實(shí)質(zhì)，就是雷達(dá)的最大作用距離大于敵方偵查接收機(jī)的最大探測距離，即雷達(dá)保證在探測到目標(biāo)的同時(shí)，使得敵方接收機(jī)截獲到雷達(dá)信號(hào)的概率最小化。LPI技術(shù)的應(yīng)用大大提高了雷達(dá)的生存能力和作戰(zhàn)能力[2]。

天線作為雷達(dá)系統(tǒng)的重要部件之一，直接影響著雷達(dá)性能的好壞和成本的高低。在近幾十年當(dāng)中，隨著航空、航天技術(shù)的飛速發(fā)展，雷達(dá)天線也在突飛猛進(jìn)地發(fā)展，經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的拋物面天線、卡塞格倫天線到波導(dǎo)型陣列天線的逐步過渡。然而，由于傳統(tǒng)雷達(dá)天線主要基于機(jī)械掃描技術(shù)，存在著諸多缺點(diǎn)，如重量體積大、掃描速度慢、靈活性差等。相控陣技術(shù)的出現(xiàn)使雷達(dá)技術(shù)得到了更進(jìn)一步的發(fā)展。它具有靈活性好、穩(wěn)定性高、波束掃描速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)。通過控制各個(gè)陣元的相位，能夠?qū)崿F(xiàn)波束快速掃描，并且能夠根據(jù)環(huán)境的不同自適應(yīng)調(diào)節(jié)波束的指向，極大提高了雷達(dá)的性能[3]。本文結(jié)合實(shí)際天線指標(biāo)要求介紹了相控陣天線綜合。依據(jù)寬帶寬角掃描輻射單元的要求，提出了天線單元的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一種并饋雙層微帶天線線陣，將線陣組成天線子陣，利用HFSS軟件仿真了該形式的天線子陣，加工了天線子陣，并進(jìn)行了外場測試，對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 方案設(shè)計(jì)

天線的總設(shè)計(jì)思想為：采用脈沖和二維接收DBF工作體制，控制電路和微波電路均高度集成，減少天線內(nèi)部各單元之間的線纜連接，提高天線的可靠性和維修性。天線由天線陣面、高集成信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)處理、頻綜和本振、供電及散熱設(shè)備等組成。天線的電原理見圖1。

圖1 雷達(dá)天線電原理圖

2 天線綜合

相控陣天線綜合的方法有傅里葉級(jí)數(shù)法[4]、謝昆諾夫法[5]、切比雪夫綜合法[6]和泰勒[7]線源綜合法等。本文主要根據(jù)泰勒線源綜合法進(jìn)行天線綜合設(shè)計(jì)，確定天線各個(gè)參數(shù)。

根據(jù)掃描范圍的指標(biāo)要求，考慮到天線組件的模塊化設(shè)計(jì)、天線陣面結(jié)構(gòu)布局的可行性以及接收天線陣面的對(duì)稱性要求，天線陣面采用矩形柵格形式。雷達(dá)天線的陣面布局圖見圖2。

圖2 雷達(dá)天線的陣面布局圖

發(fā)射陣面為矩形布局方式，天線方位包含4個(gè)子陣，俯仰包含4個(gè)子陣，共16個(gè)發(fā)射子陣，工作狀態(tài)時(shí)，發(fā)射T組件每通道均工作在飽和放大狀態(tài)，發(fā)射天線為均勻加權(quán)，發(fā)射天線中心頻率方向圖見圖3、圖4。

圖3 天線發(fā)態(tài)方向圖

圖4 天線發(fā)態(tài)方向圖

為了滿足雷達(dá)指標(biāo)的要求，同時(shí)兼顧數(shù)據(jù)處理和本振功分的問題，接收陣面采用子陣式DBF工作體制，近似圓形布局方式，天線方位包含8個(gè)子陣，俯仰包含8個(gè)子陣，全陣共52個(gè)子陣。接收天線采用同時(shí)波束的方法實(shí)現(xiàn)方位和俯仰差波束，接收天線中心頻率方向圖見圖5和圖6。

圖5 天線收態(tài)和差方向圖

圖6 天線收態(tài)和差方向圖

3 仿真設(shè)計(jì)

高性能輻射單元是相控陣天線的核心元件，其決定了相控陣天線的掃描性能。微帶天線因具有體積小、重量輕、剖面低、饋電方式靈活、價(jià)格便宜、易與導(dǎo)彈、飛行器共形等特點(diǎn)在工程上具有良好的應(yīng)用背景。

本文采用矩形微帶天線作為陣列天線的陣元。微帶天線工作的頻率為f0，矩形貼片的長寬分別為L和W，所采用的介質(zhì)板厚度為h，介電常數(shù)為εr，則可通過經(jīng)驗(yàn)公式粗略的求出矩形貼片的長寬，再通過仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化，這樣可以大幅度地節(jié)省天線的設(shè)計(jì)時(shí)間。綜合考慮，選擇RO4350板材，εr為3.66，板材厚度h為0.508mm。根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出微帶單元的初始尺寸為L=4.498mm、W=5.88mm。利用HFSS軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的單元天線建模，并對(duì)其進(jìn)行了仿真，模型如圖7所示。

圖7 單層微帶天線仿真模型圖

經(jīng)仿真發(fā)現(xiàn)，單層微帶天線的頻帶比較窄。為了展寬頻帶，我們采用雙層微帶天線，天線帶寬可達(dá)12%。雙層微帶天線仿真模型圖見圖8。圖9和圖10為雙層微帶輻射單元電壓駐波比和增益仿真結(jié)果。

這等履歷即使放在我們之前曾經(jīng)介紹過的一眾絕頂武人當(dāng)中，都可算得上出類拔萃，然而這般高明的張三爺，卻無人知其出身何門。

圖8 雙層微帶天線仿真模型圖

圖9 雙層微帶輻射單元電壓駐波比仿真結(jié)果

圖10 雙層微帶輻射單元增益仿真結(jié)果

對(duì)微帶天線單元進(jìn)行組陣時(shí)，單元是通過饋電網(wǎng)絡(luò)連接的。微帶陣列天線的饋電方式有并聯(lián)饋電和串聯(lián)饋電，通過對(duì)比串聯(lián)饋電和并聯(lián)饋電的優(yōu)缺點(diǎn)以及依據(jù)仿真結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用的需求綜合考慮，最終本文選擇并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)組成的陣列天線。

為避免功分網(wǎng)絡(luò)對(duì)輻射單元性能的影響，功分網(wǎng)絡(luò)采用一分三并行功分的形式，與輻射單元位于不同的電路層，功分器和輻射單元之間通過同軸饋電連接，實(shí)現(xiàn)了輻射單元和饋電網(wǎng)絡(luò)的物理隔離，并且通過加載電感釘?shù)钠ヅ浞绞剑斯Ψ志W(wǎng)絡(luò)的諧振現(xiàn)象，展寬了微帶線陣的帶寬，線陣輻射單元之間通過周期性的電感釘形成高阻表面，消除了單元之間的互耦，提高了單個(gè)天線單元的增益。并饋仿真模型見圖11，圖12為并饋雙層微帶輻射單元中心頻率方向圖仿真結(jié)果，圖13為并饋雙層微帶輻射單元電壓駐波比仿真結(jié)果。

圖11 并饋雙層微帶輻射單元

圖12 并饋雙層微帶輻射單元方向圖

圖13 并饋雙層微帶輻射單元電壓駐波比

該項(xiàng)目稱為子陣式DBF天線，根據(jù)指標(biāo)的要求，三個(gè)線陣組成一個(gè)子陣，子陣結(jié)構(gòu)圖形見圖14，每個(gè)線陣通過波珠接插件與一路TR組件或者R組件焊接，即每個(gè)子陣包含3路TR組件或者R組件，子陣通過smp和J30等盲插結(jié)構(gòu)與高集成的信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)連接，在仿真設(shè)計(jì)時(shí)考慮固定螺釘對(duì)子陣性能的影響。子陣仿真模型圖見圖15。子陣電壓駐波比仿真結(jié)果見圖16，子陣方向圖仿真結(jié)果見圖17。通過仿真發(fā)現(xiàn)，子陣三個(gè)端口的駐波在頻帶范圍內(nèi)電壓駐波比小于2；子陣方向圖具有較好的對(duì)稱性。

圖14 子陣結(jié)構(gòu)圖形

圖15 子陣仿真模型

圖16 子陣電壓駐波比

圖17 子陣方向圖(f0)

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

加工一子陣進(jìn)行子陣電壓駐波比、有源單元反射系數(shù)(轉(zhuǎn)換成有源單元電壓駐波比)及有源單元方向圖的測試。子陣的實(shí)物圖見圖18，用一塊金屬鋁板代替瓦片式TR組件，將型號(hào)為SMP-JFD6A射頻接插件焊接到微帶天線板上，微帶天線板和金屬鋁板用導(dǎo)電膠固定。

圖18 子陣實(shí)物圖

利用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行子陣電壓駐波比測試，測試中間饋電口的電壓駐波比，兩邊的饋電口接匹配負(fù)載，測試場景和測試結(jié)果見圖19。

圖19 子陣電壓駐波比的測試

有源單元反射系數(shù)(轉(zhuǎn)換為有源單元電壓駐波比)的測試結(jié)果見圖20。

圖20 有源單元電壓駐波比

在微波暗室進(jìn)行子陣有源單元方向圖測試，測試中間端口的有源單元方向圖，其余的端口接匹配負(fù)載，測試場景見圖21，測試結(jié)果見圖22至圖24，由于二維轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有限，因此，子陣方向圖測試結(jié)果俯仰面只能測試±30°內(nèi)的方向圖。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

圖21 子陣測試場景

圖22 子陣方向圖測試結(jié)果(f0-1000MHz)

圖23 子陣方向圖測試結(jié)果(f0)

圖24 子陣方向圖測試結(jié)果(f0+1000MHz)

2)該形式微帶輻射單元具有良好的端口匹配特性。子陣電壓駐波比仿真與實(shí)物測試結(jié)果一致，有源單元電壓駐波比的仿真結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果也基本可比擬。

3)該形式微帶輻射單元具有良好的輻射特性。有源單元方向圖的仿真結(jié)果和實(shí)際測試結(jié)果一致，波束寬度均為：H面波束寬度大于90°，E面波束寬度大于25°。該形式微帶輻射單元剖面低，重量輕、成本低適合大型相控陣天線使用。

5 結(jié)束語

本文在總結(jié)研究背景的基礎(chǔ)上對(duì)微帶相控陣天線進(jìn)行了研究，從方案設(shè)計(jì)出發(fā)，在仿真軟件中設(shè)計(jì)所需的仿真模型，優(yōu)化仿真后所得的結(jié)果可以滿足預(yù)先設(shè)定的技術(shù)指標(biāo)，完成了子陣加工制作以及電氣性能測試，測試結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了驗(yàn)證。